[摘要]隨著環(huán)境污染的日益加劇，水資源的再生利用對現(xiàn)實社會具有深遠(yuǎn)的意義。傳統(tǒng)的永處理工藝已跟不上實際要求，研制和開發(fā)新型高效、經(jīng)濟(jì)的無機(jī)混凝劑，已成為一十重要與緊迫的研究課題。近十幾年來，無機(jī)高分子混凝劑(IPC)的研究、發(fā)展受到了國內(nèi)外水處理界的廣泛重視。本文概括了無機(jī)高分子混凝劑的研制和開發(fā)現(xiàn)狀；介紹了聚合鋁、聚合鐵、聚合硅酸和復(fù)合型四種無機(jī)高分子混凝劑的混凝作用機(jī)理和應(yīng)用；并對無機(jī)高分子混凝劑今后的研究發(fā)展方向作出展望。
　　[關(guān)鍵詞]無機(jī)高分子混凝劑　混凝　發(fā)展
　　
　　隨著全球化進(jìn)程的加劇。人類面臨著日益嚴(yán)重的全球性環(huán)境污染和資源枯竭的重大問題。水處理劑在防止或消除污染，保護(hù)資源和環(huán)境方面正起著越來越重要的作用?；炷浅Ｒ?guī)水處理工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，混凝劑的優(yōu)劣直接髟響到混凝效果。無機(jī)高分子絮凝劑自60年代開發(fā)以來，因其絮凝效果較好，價格相應(yīng)較低，而有逐步取代傳統(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽等無機(jī)絮凝劑，成為主流水處理劑的趨勢。在我國絮凝劑市場上，傳統(tǒng)絮凝劑的用量僅占20％，而無機(jī)高分子絮凝擲的用量則占80％以上。近年來，這類絮凝劑的研制和應(yīng)用正成為熱點，專利產(chǎn)品也有逐年增加的趨勢。
　　
　　一、傳統(tǒng)混凝劑與無機(jī)高分子混凝劑的混凝機(jī)理
　　
　　傳統(tǒng)絮凝劑在投藥后主要經(jīng)過水解和吸附過程，在濃溶液中的化合態(tài)主要是單體初聚物A11-3投入水中后發(fā)生水解，向生成初聚體和低聚體816-8方向發(fā)展或直接生成Al(OH)3,。這些低聚體以及沉淀物吸附在顆粒物的表面。發(fā)揮電中和及粘結(jié)架橋或卷掃作用。
　　而高質(zhì)量的無機(jī)高分子絮凝劑與顆粒物的吸附實際是表面絡(luò)合配位作用，表面羥基將會適當(dāng)補充其未飽和位，吸附在表面后，仍會從溶液申吸取羥基。繼續(xù)其水解沉淀過程，直到飽和成為氫氧化物沉淀凝膠，與顆粒物一起生成絮團(tuán)。因此，無機(jī)高分子的凝聚——絮凝機(jī)理實際是表面絡(luò)合與表面沉淀過程。
　　傳統(tǒng)絮凝劑作用機(jī)理是絮凝劑投入水中后，經(jīng)水解而全部水解生成氫氧化鋁沉淀，實際是帶電荷的氫氧化鋁凝膠吸附在顆粒物表面發(fā)揮凝膠——絮凝作用。無機(jī)高分子的作用機(jī)理則與此不同。它們是投入水中后主要以Al1-3直接吸附在顆粒物表面。在表面上繼續(xù)水解而轉(zhuǎn)化為沉淀，由此進(jìn)行電中和及牯結(jié)架橋的凝聚——絮凝作用，因此，無機(jī)高分子的絮凝計算模式應(yīng)是建立在表面絡(luò)合及表面沉淀的基礎(chǔ)上。
　　
　　二、無機(jī)高分子絮凝劑的研制和開發(fā)現(xiàn)狀
　　
　　無機(jī)高分子絮凝劑傳統(tǒng)上可分為聚合鋁、聚合鐵、聚合硅酸以及復(fù)合型無機(jī)高分子絮凝劑四大類，但按照水中膠粒所帶電荷種類也可以將其分為陽離子型、陰離子型和若干復(fù)合系列。
　　無機(jī)高分子絮凝劑的研制與開發(fā)大致經(jīng)歷了以下4十階段；①聚合鋁、聚合鐵或聚硅酸；②在聚臺鋁、聚合鐵或聚硅酸中引入單種金屬離子AL或Fe；③在聚合鉬、聚合鐵或聚硅酸中同時引入兩種金屬離子Al和F：④在聚合鋁、聚合鐵或聚硅酸中引入多種金屬離子AL、fe、Mn、Ca等。改性的目的是引入某些高電荷離子以提高電荷的中和能力，引入羥基、磷酸根等以增強(qiáng)配位絡(luò)合能力，從而達(dá)到改善其絮凝效果的目的。
　　聚合鋁的缺點是在熱力學(xué)上不穩(wěn)定而失去活性。為保證其有適宜的儲存性能租適度的穩(wěn)定性，必須控制適當(dāng)?shù)膲A化度和聚臺度成加入穩(wěn)定增效劑。尤其是活性鋁，毒性較大，同時聚鋁制備方法不完善，致使較多水解鋁的徽細(xì)顆粒存在于溶液中，這在一定程度上限制了聚合鋁的使用。通過改善混凝反應(yīng)條件，延長慢速混凝時間，能有效降低水中鋁的含量。對聚鐵來說，其鹽基度越高，分手聚合度越大，形成的羥基配合物就具有更多的電荷和更大的表面積，絮凝性能也就更好。因此制備聚合鐵時，鹽基度的控制是一個關(guān)鍵因素。
　　聚硅酸對細(xì)泥類懸浮物有加速沉淀的作用，其最大缺點是穩(wěn)定性差，在溶液中能自行聚臺成不溶于永的高聚物，只能現(xiàn)配現(xiàn)用，而向硅酸溶膠中加入某些金屬離子，可以阻止或減緩硅酸縮聚時間，同時也可以延長聚硅酸的存入時間，但還無法制備出聚硅酸金屬鹽混凝劑的固體產(chǎn)品。使其應(yīng)用范圍大大受到了限制。
　　無機(jī)復(fù)合型高分子絮凝劑中由于引入其它離子，尤其是高電荷離子，其聚合度和電荷中和能力大大加強(qiáng)，絮凝性能遠(yuǎn)優(yōu)于聚硅酸或單獨的聚金屬離子。其缺點是制備過程操作技巧性比較強(qiáng)，產(chǎn)品成本也鞍高。與無機(jī)高分子絮凝劑相比，有機(jī)高分子絮凝劑投加量少。絮凝速度快，受共存鹽類、pH和溫度等周圍環(huán)境影響?。毫硗?，有機(jī)高分子絮凝劑分子所帶的－NH－、－COO－、－SO3－，等具有鏈狀、環(huán)狀等多種結(jié)構(gòu)的親水基團(tuán)，有利于污染物進(jìn)人絮凝體，脫色性好。但有機(jī)高分手絮凝劑的水解或降解產(chǎn)物多有毒，而且價格較高。而無機(jī)一有機(jī)高分子絮凝劑連用正好可以綜合二者的優(yōu)點，因此無機(jī)一有機(jī)復(fù)合型應(yīng)用前景廣闊。
　　
　　三、各類無機(jī)高分子混凝劑的混凝作用機(jī)理及應(yīng)用
　　
　　1、聚合鋁
　　①混凝作用機(jī)理
　　聚合鋁包括聚合氯化鋁和聚合硫酸鋁。聚合鋁實際上是一種多鋁多羥基絡(luò)合物，它是一條件控制下鋁鹽的水解——聚合——沉淀過程的中間產(chǎn)物。在水解過程中，鋁由單體逐步聚合，其形態(tài)轉(zhuǎn)化過程為：A13+→A12(OH)4+2→A17(OH)5+16→Al1304(OH)7+24
　　水處理中聚合鋁的混凝作用機(jī)理是：以其水解產(chǎn)物對水中顆?；蚰z體污染物進(jìn)行電中和和脫穩(wěn)，吸附架橋或牯附卷掃而生成粗粒絮凝體再加以分離去除。對混凝過程中起主要作用的因素是藥劑投加置。pH值和顆粒表面積濃度等參數(shù)。
　?、趹?yīng)用
　　聚合鋁，特別是聚合氯化鋁具有絮凝體形成快、沉降迅速、混凝效果好、污泥脫水容易、對原水性質(zhì)變化適應(yīng)性強(qiáng)、適宜的范圍寬、用量小、腐蝕小、成本低等優(yōu)點。因而廣泛地應(yīng)用于給水凈化、廢水處理以及鑄造、輕工、醫(yī)藥、機(jī)械等方面。
　　2、聚合鐵
　　①混凝作用機(jī)理
　　鐵系無機(jī)高分子混凝劑主要有聚合硫酸鐵和聚合氯化鐵，其中聚合硫酸鐵是主要的品種。聚合鐵是一種多核多羥基絡(luò)合物，是一定條件下鐵鹽的水解——聚合——沉淀過程的中間產(chǎn)物。
　　聚合鐵的混凝作用機(jī)理較復(fù)雜，這是因為Fe3+有很強(qiáng)的水解——聚合——沉淀趨勢。其混凝效果由一系列水解、聚合過程所支配，其獨特的混凝性能是由于它在水溶液中存在著[Fe2(OH)3]3+、[Fe2(OH)2]4+、[Fe3(OH)6]3+等絡(luò)合離子，通過羥基架撟作用，生成多核絡(luò)離子聚合物。分子量達(dá)105。這些絡(luò)合物進(jìn)一步水解，產(chǎn)物通過吸附、交聯(lián)、架橋作用，使膠體顆粒凝聚。同時中和水中顆粒及膠體污染物電荷，壓縮膠粒的雙電層，降低膠體電位，使皎體脫穩(wěn)；此外Fe3+水解最終產(chǎn)物為Fe(OH)3沉淀，其絮狀沉淀有較大表面積，約為200～1000m2／g，因而還有沉淀網(wǎng)捕作用。
　　②應(yīng)用
　　聚合鐵混凝劑具有較強(qiáng)的除濁，去除COD及重金屬離子的能力，同時還具有脫色、脫臭、脫水等功能。其適宜的pH范圍廣，絮凝體比重大沉降迅速，在低溫時也有較好的處理效果，因而它廣泛應(yīng)用于給水凈化，廢水處理及造紙、印染、皮革、冶金、食品、化工等行業(yè)。
　　
　　3、聚合硅酸
　?、倩炷饔脵C(jī)理
　　聚合硅酸是用酸或酸性反應(yīng)的鹽或氣體，對水玻璃的稀溶液進(jìn)行部分中和而制成的，是硅酸聚合到一定程度的中間產(chǎn)物。聚硅酸在通常條件下組分帶負(fù)電荷，屬陰離子型無機(jī)高分子物質(zhì)，而水中肢體粒子表面一般也帶有負(fù)電荷，因而聚硅酸對水中的膠粒不具有電中和作用，它對膠體的絮凝是通過吸附架橋使柆子粘連完成的。
　?、趹?yīng)用
　　聚硅酸可作為混凝劑或助凝劑使用，具有原料來源廣、無毒、成本低、聚合方法簡單等優(yōu)點，對細(xì)泥類懸浮物還有加速沉淀作用。但其穩(wěn)定性差，在溶液中能自行聚合形成不溶于水的高聚物，必須在使用前臨時配制，因而它在實際凈水處理過程中的應(yīng)用受到了很大限制。
　　
　　4、復(fù)合型無機(jī)高分子混凝劑
　　為了進(jìn)一步提高混凝劑的凈水能力。改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，人們研制了復(fù)合型無機(jī)高分子混凝劑。
　　聚合鐵、聚合鋁等無機(jī)高分子混凝劑成本高，某些場合處理效果不理想等缺點。而研究發(fā)現(xiàn)某些金屬離子(如A13+、Fe3+)對聚硅酸的混凝作用有很大的影響，能增加形成絮體體積。提高其低溫混凝效果；此外金屬離子還能延緩硅酸的膠凝，改變聚硅酸的穩(wěn)定性能，這樣就有可能研制出新型聚硅酸混凝劑。于是人們開發(fā)了含鐵鋁離子的聚硅酸混凝劑。實驗結(jié)果表明，這種新型混凝劑是一種優(yōu)良的水處理劑，其混凝性能優(yōu)于其它傳統(tǒng)無機(jī)高分子混凝劑且成本較低，是一種有發(fā)展前途的混凝劑。
　　
　　四、無機(jī)高分子混凝劑的研究發(fā)展方向
　　
　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，工業(yè)和城市生活污水的水質(zhì)變得越來越復(fù)雜，對水處理劑復(fù)合功能的要求也越來越高，迫切要求開拓混凝劑的生產(chǎn)視野和應(yīng)用范圍。通過引入其它離子或加入助凝劑的方法來制備多功能復(fù)合型絮凝劑將是這類絮凝劑研制和開發(fā)的主要方向。新型復(fù)合型絮凝劑應(yīng)能適合多變的水質(zhì)(pH、COD、懸浮物等的波動)，還具有殺菌、脫色、除COD、緩蝕等功能中的一種或幾種，如絮凝－殺菌劑、絮凝－緩蝕－阻垢劑等。我國在這方面已經(jīng)有成功的先例。在聚合鐵鋁鉀中加入適量的蘇打和漂白粉等制成水質(zhì)凈化消毒劑，能有效地除去工業(yè)廢水等廢水中的懸浮物，還可以殺菌，降低CODCr的含量和色度，處理飲用水能達(dá)到“非常清潔”的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　五、結(jié)語
　　
　　水資源的再生利用對現(xiàn)實社會具有深遠(yuǎn)的意義。傳統(tǒng)的水處理工藝已跟不上實際需求，研究發(fā)展新型高效、經(jīng)濟(jì)的水處理，是當(dāng)前國內(nèi)外水處理領(lǐng)域中的研究新課題。
　　無機(jī)高分子絮凝劑的研究主要要提高兩方面的技術(shù)，一是研制開發(fā)新型高效能的絮凝藥劑，二是研制開發(fā)適合于高效能的絮凝劑反應(yīng)特征的新型絮凝過濾反應(yīng)器，只有這樣才能提高水處理效果。